便攜式數字示波器設計

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便攜式數字示波器設計

胡興梅,鄒奇朋,楊文任,李子樺,馬翠蓮

（天津科技大學，300457）

摘要：電子測量技術的不斷發展，必然會使得自動化、智能化、數字化和網絡化成為發展的新方向。同時，數字示波器被廣泛應用于各個行業和領域，并逐漸傾向于取代模擬示波器。但由于傳統數字示波器體積過大，不適合在戶外進行現場測試和現場操作，己經越來越不能滿足市場的需求。因此，基于使用者的需要，亟需開發一款便攜式數字示波器。ARM 處理器及嵌入式操作系統的廣泛應用，使示波器的設計有了新的發展方向。本文設計了一種以微處理器為控制核心的新型實用的掌上型示波器，設計過程中軟硬件協同工作，較好的實現了波形的顯示及數據的采集，通過對示波器各個模塊的優化和調試，基本達到了設計要求。

關鍵詞：便攜；示波器；波形

注: 2014年天津市大學生創新創業訓練計劃項目結題項目項目編號: 201410057114

1　數字示波器的性能參數

該示波器主要以單片機、A/D轉換器和程控衰減放大器為核心， 信號從探頭輸入，進入程控放大（衰減），再對被放大（衰減）的信號送入 A/D 轉換器把模擬信號轉換成數字信號,比傳統數字示波器更加精確。 其主要性能指標包括采樣速率、分辨率、帶寬、垂直電壓靈敏度、水平水平掃速等。為了達到現代數字示波器的實際研制需要和性能指標要求，確定了本文設計的示波器的重要性能指標和基本功能。

（1） 采樣速率：600Sa/s，6kSa/s，60kSa/s，600kSa/s，3MSa/s，，6MSa/s，30MSa/s，60MSa/s

（2）水平水平掃速：250 ns、500ns、1μs、5μs、10μs、50μs、500μs、5ms、50ms

（3） 垂直電壓靈敏度：10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0,2V/div, 0.5V/div, 1V/div, 2V/div, 5V/div

（4）顯示器的分辨率：320*240，示波器帶寬：5MHZ

（5）利用軟件實現了同步觸發, 僅上升沿時，才可觸發,觸發沿和觸發電壓可變。

（6）被測信號的各種參數屏幕顯示，包括頻率、電壓峰峰值等。

（7）采用高性能A/D解決方案，提高信號輸出的精確性；功耗低，低噪聲，且有很強的抗干擾能力。

2　數字示波器的工作原理和總體框架

系統的整體框圖如圖1所示,主要由程控衰減放大電路、高速A/D轉換器、FIFO存儲器、時鐘控制電路、控制顯示電路、測頻與控制電路等六部分組成。信號從探頭輸入以后進入程控電路進行衰減或者放大，將被采集的信號電壓調整到A/D轉換器要求的范圍內，采集好的數據進入FIFO電路中進行緩沖并存儲，當FIFO存滿后通知MCU2，MCU2將信號從FIFO讀取出來之后顯示在LCD顯示屏上。由程控放大電路調整后的信號另一路進入整形電路后成為待測信號被送入MCU1中，進行頻率測量。程控放大器的放大或者衰減倍數和時鐘電路的輸出頻率都由MCUI控制。MCU1和MCU2之間通過SPI連接。

此外，我們采用電源切換與充電管理模塊，通過 USB充好電后，即可長時間進行戶外測試。

3　便攜式示波器主要硬件設計

3.1高速A/D轉換與FIFO存儲電路

數字示波器中最重要的部分就是A/D轉換電路，它的作用是將被測信號采樣并存入存儲器中。我們選用的是8位高速A/D轉換器，它決定了示波器的水平分辨率。FIFO存儲器是一種沒有地址線的雙口靜態存儲器。在A/D轉換器和MCU2中FIFO，起到高速數據緩沖的作用。其中，74LVC574的作用是對采樣所得的數據進行鎖存緩沖后送入FIFO存儲器。其原理圖如圖2所示：

3.2時鐘產生電路

時鐘產生電路產生了8種不同頻率的采樣時鐘信號，并提供給A/D轉換器，其中每一種頻率都有與其相對應的水平掃速。時鐘產生電路由多種不同型號的分頻器和高穩定度的溫補晶振。溫度補償有源晶體模塊提供了基準時鐘信號，其頻率大小為60MHZ,輸出的信號再由分頻器分頻，會得到8種不同大小的頻率，然后輸入到型號為74F151的多路選擇器當中。最后，由MCU1對其三根選通信號線進行控制進而可以選擇所需的采樣頻率。其原理圖如圖3所示：

圖1　系統原理圖

4　結束語

本文所論述的數字存儲示波器，其控制核心是常見的單片機和可編輯邏輯器件，具有信號采集、參數處理、存儲和計算等功能，其小巧輕便，操作簡單，經濟實用且性價比極高。該示波器完全符合工業現場應用和科學研究的需要。在未來科學技術的不斷發展和市場價格的持續下滑的趨勢下，其發展前景十分廣闊。

參考文獻

[1]胡金發.示波器在信號測量中的應用[J].科技資訊,2011,(25):24.

[2]陳曉華.示波器探頭的使用及測量結果的誤差分析[J].半導體技術,2010,35(7):634-636.

[3]劉永娜.示波器測量技術探討[J].科技致富向導,2011,(22):34.

圖2　高速AD轉換與FIFO存儲電路

圖3　時鐘產生電路

Design of portable digital oscilloscope

Hu Xingmei，Zou Qipeng，Yang Wenren，Li Zihua，Ma Cuilian

（Tianjin University of Science & Technology，300457）

Abstract：The development of the electronic measuring technology,make automation,intelligent,digital and network become the new direction of development.At the same time,the digital oscilloscope is widely used in various industries and fields, and gradually tend to replace analog oscilloscope.But because of the traditional digital oscilloscope, the volume is too large, not suitable for on-site testing and onsite operation outdoors,has been increasingly unable to meet the needs of the market.Therefore,based on the needs of the users,it is necessary to develop a portable digital oscilloscope.Application of ARM processor and embedded operating system,the oscilloscope design is a new development direction.This paper describes the design of a microprocessor as the core of the utility model control on the oscilloscope,the software and hardware design process of collaborative work,better realization of the waveform display and data collection,through the optimization and debugging of each module of the oscilloscope,meet the design requirements.

Keywords：Portable oscilloscope;waveform